锅炉过热蒸汽温度控制系统-

1、生产工艺介绍

1.1 锅炉设备介绍

锅炉是工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，经过过热器形成过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱排空。

锅炉设备主要工艺流程图

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：

①供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。

②锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。

③过热蒸汽温度保持在一定范围。

④汽包水位保持在一定范围内。

⑤保持锅炉燃料的经济性和安全性。

⑥炉膛负压保持在一定范围。

1.2 蒸汽过热系统的控制

蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。

过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方.过热器正常运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度.因此，过热蒸汽温度的上限一般不应超过额定值5℃(额定值为450℃ ).如果汽温偏低，则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全运行，因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值10℃。

过热蒸汽温度控制的主要任务就是：

① 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持 蒸气品质合格：

②保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

本次设计以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。

2、控制原理简介

2.1 过热蒸汽温度的动态特性

2.1.1蒸汽量扰动

当蒸汽量扰动时，沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化，过热器出口温度的阶跃响应曲线图8-1a)所示。其特点是有迟延，有惯性，有自平衡能力，且T

τ较小。当锅炉的蒸汽量增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随蒸汽量变化的方向是相反的。蒸汽量增加时，通过对流式过热器的烟量增加，烟温也随之升高，这两具因素都使对流过热器汽温升高。但是，由于蒸汽量增加时，炉膛温度升高较少，辐射传热量的增加比蒸汽量增加所需的吸热量增加要少，因此，当蒸汽量增加，辐射式过热器出口汽温是下降的。图8-1b)表示了对流和辐射两种过热器出口汽温θ随蒸汽量变化的静态特性。通过对流过热器的受热面积大于辐射过热器的受热面积，对流方式比辐射方式吸热量为多，因此，总的汽温将随蒸汽量增加而升高。

蒸汽量变化对汽温变化的传递函数可用下式近似表示：

s D D e S

T K s D s s G τθ+==1)()

()( 式中

k D ──蒸汽量扰动时被调对象的放大系数

D T ──对象的时间常数

τ──蒸汽量扰动时对象的迟延时间

蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性，但不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量，这里的蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。

2.1.2烟气侧扰动

由于过热器是一个热交换器，过热器出口汽温反映了工质从过热器中带走的热量和从烟气侧吸收的热量之间的平衡关系。当烟气流量或烟气温度发生扰动时，过热蒸汽温度发生变化。在烟气侧扰动下汽温对象的动态特性如图8-2所示。其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。由于烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量发生变化，所以过热蒸汽温度响应较快，其迟延和惯性比其它扰动要小，但一般不用烟气侧作为调节手段来调节过热蒸汽温度。改变烟量或烟温时，会影响燃烧工况，与燃烧控制互相干扰，另外，烟气侧扰动也将影响再热蒸汽温度。现有电厂热控系统仅用烟气侧作为调节再热蒸汽温度的手段，而利用减温水量来调节过热蒸汽温度。

2.1.3减温水量扰动

改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节过热器出口蒸汽温度，这是应用较广的一种汽温调节手段，改变入口蒸汽温度可用喷水来进行。直接喷水减温系统如图8-3所示。采用减温器喷水减温时，要求有足够的调节余量，一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于给定值约30~40℃。

采用喷水减温调节过热蒸汽温度时，一般把过热器分成两个区域，如图8-3a)所示，导前汽温θ2测点前至减温器为导前区，过热器出口汽温θ1测点到导前汽温测点为惰性区，其传递函数分别用G 02（s ）和G 01（s ）来表示，整个被调对象的传递函数用G （s ）表示：

)

()()()

()()()()()()()(010*********s G s G s W s s G s s s G s W s s G ===

=

θθθθθθ 式中

2θ──导前汽温

1θ──过热器出口汽温

θW ──减温喷水量

在减温水量扰动时过热蒸汽温度被调对象的阶跃响应曲线如图8-4所示。

汽温对象的传递函数可用下式表示：

从阶跃响应曲线可以用工程方法求得G 02(s)和G(s)，在调节系统分析及调节器参数整定计算过程中，还需用到惰性区的传递函数)

()()(2101s s s G θθ=，它不能由阶跃响应曲线直接求